Supercomputing hjælper forskere med at forstå Jordens indre

I modsætning til plakater, du måske har set hænge på væggene i naturvidenskabelige bygninger og klasseværelser, Lijun Liu, professor i geologi ved Illinois, ved, at Jordens indre ikke er som et løg.

Mens de fleste lærebøger demonstrerer jordens ydre overflade som skorpen, det næste indre niveau som kappen, og så det mest indre lag som kerne, Liu sagde, at virkeligheden ikke er så entydig.

"Det er ikke kun i lag, fordi Jordens indre ikke er stationært, " sagde Liu.

Faktisk, under vores fødder er der tektonisk aktivitet, som mange forskere har været opmærksomme på, men Liu og hans team har skabt en computermodel for bedre at forklare den – en model så effektiv, at forskere mener, at den har potentialet til at forudsige, hvor jordskælv og vulkaner vil forekomme.

Ved at bruge denne model, Liu, sammen med ph.d.-studerende Jiashun Hu, og Manuele Faccenda fra University of Padua i Italien, for nylig udgivet en forskningsartikel i tidsskriftet Earth and Planetary Science Letters der fokuserer på den dybe kappe og dens forhold til pladetektonikken.

"Det er velkendt, at der er pladetektonik, der driver Jordens udvikling, men præcis hvordan denne proces fungerer er ikke helt klart, " han sagde.

Liu og Hu kiggede specifikt på Sydamerikas kontinent for at bestemme hvilke tektoniske faktorer, der bidrager til deformationen, eller evolutionen, af kappen.

For at besvare dette spørgsmål, holdet skabte en datacentreret model ved hjælp af Blue Waters supercomputer ved National Center for Supercomputing Applications i Illinois. De sofistikerede firedimensionelle dataorienterede geodynamiske modeller er blandt de første af deres slags.

"Vi er faktisk de første til at bruge dataassimileringsmodeller til at studere kappedeformation, i en tilgang svarende til vejrudsigt, " sagde Liu. "Vi forsøger at producere en systemmodel, der samtidig opfylder alle de observationer, vi har. Så kan vi opnå en bedre forståelse af dynamiske processer i Jordens udvikling."

Mens der er mange debatter i forhold til, hvordan Jordens interne udvikling er drevet, modellen skabt af holdet syntes at finde et svar, der bedre passer til tilgængelige observationer og underliggende fysik. Holdet fandt ud af, at den subducerende plade - en del af den oceaniske plade, der glider under en kontinentalplade - er den dominerende drivkraft bag deformationen af ​​kappen.

I det væsentlige, den aktive subduktion af pladen bestemmer de fleste andre processer, der sker som en del af en kædereaktion. "Resultatet er spilskiftende. Drivkraften bag kappeflow er faktisk enklere, end folk troede, " sagde Liu. "Det er den mest direkte konsekvens af pladetektonikken. Når pladen trækker sig ned, det styrer naturligvis alt omkring det. På en måde er dette elegant, fordi det er enkelt."

Ved at forstå denne mekanisme for Jordens evolution, holdet kan komme med bedre forudsigelser angående bevægelsen af ​​kappen og litosfæren, eller skorpe.

Holdet evaluerede derefter modellens forudsigelser ved hjælp af andre data. Hu, hovedforfatteren på avisen, sagde, at ved at sammenligne forudsigelserne med tektoniske aktiviteter såsom dannelsen af ​​bjerge og vulkaner, der opstod en klar sammenhæng.

"Vi tror, ​​vores historie er korrekt, " sagde Hu.

Følgelig, modellen giver også interessant indsigt i udviklingen af ​​kontinenter så langt tilbage som jura, da dinosaurer strejfede rundt på Jorden på Pangaea, det eneste kontinent på det tidspunkt. Dette er stadig holdets igangværende forskning.

Liu sagde, at i et separat papir, der bruger den samme simulering, udgivet af Liu og Hu i Earth and Planetary Science Letters i 2016, modellen gav en nøjagtig forudsigelse for, hvorfor jordskælv sker på bestemte steder under Sydamerika. Han forklarede, at jordskælv ikke er jævnt spredt inden for den subducerende plade, hvilket betyder, at der potentielt er områder, hvor der er mere eller mindre sandsynlighed for, at et jordskælv finder sted.

"Vi fandt ud af, at når man ser mangel på jordskælv i en region, det svarer til et hul i pladen, " sagde Liu. "På grund af den manglende plade i hullet, der er ingen måde at generere jordskælv på, så vi kan måske vide, hvor flere jordskælv vil finde sted."

Modellen forklarede også, hvorfor visse vulkaner kunne eksistere længere inde i landet og have forskellige sammensætninger, på trods af den almindelige tanke om, at vulkaner udelukkende skulle eksistere langs kysten, som følge af, at der kommer vand fra den nedadgående plade. Som modellen hjælper med at forklare, en vulkan kan dannes inde i landet, hvis pladen subducerer i en mindre vinkel, og et hul i den lavvandede plade gør det muligt at danne en speciel type magma ved smeltning af skorpen.

"I sidste ende vil denne model give en lovende måde at løse spørgsmålet om, hvordan og hvorfor kontinenter bevæger sig, som de gør, " sagde Liu. "Svaret burde afhænge af, hvad kappen laver. Dette er en måde til meget bedre at forstå Jordens evolution."

Holdet udvider i øjeblikket modellen til at analysere hele kloden.

"Vi ser frem til flere spændende resultater, " sagde Liu.